DE19920307A1 - Elektrische Schaltung zum Steuern einer Last - Google Patents
Elektrische Schaltung zum Steuern einer LastInfo
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Abstract
In einer Steuer- oder Regelschaltung für eine Last wird ein Sollsignal (Vref) mit einem dem Zustand der Last entsprechenden Istsignal (V¶M¶) verglichen, und abhängig von dem Vergleichsergebnis wird in einer Stellsignal-Erzeugungsschaltung (10) ein PWM-Stellsignal (PWM) erzeugt. Das Stellsignal öffnet und schließt einen mit der Last gekoppelten Stromschalter. Zur Bildung des PWM-Stellsignals wird der Inhalt eines Rampenzählers (24) mit dem Inhalt eines Auf/Ab-Zählers (23) von einem Digitalvergleicher (25) verglichen. Um bei starken Abweichungen zwischen Sollsignal und Istsignal eine rasche Annäherung der beiden Signale zu erreichen, wird bei starken Regelabweichungen der Inhalt des Auf/Ab-Zählers (23) relativ schnell gezählt im Vergleich zu geringen Regelabweichungen. Zu diesem Zweck wird der Auf/Ab-Zähler (23) mit einem Taktsignal (CLK¶VCO¶) veränderlicher Frequenz betrieben, das von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (28) in Abhängigkeit der Differenz zwischen Sollsignal und Istsignal erzeugt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zum Steuern einer Last
nach Maßgabe eines Sollsignals.
Der Begriff "Last" ist hier in weitestem Umfang zu verstehen. In erster
Linie handelt es sich um eine elektrische Last, zum Beispiel einen elek
trischen Motor, eine Spule, einen Widerstand oder dergleichen, wobei
an solche elektrischen Bauelemente dann die eigentliche "Last" gekop
pelt sein kann, zum Beispiel in Form eines elektromagnetischen Ventils,
einer elektrischen Heizung oder eines mechanisch von einem Elektromo
tor zu bewegenden Teils.
Um die Erfindung anschaulich darzustellen, soll im folgenden speziell
eine induktive Last in Form einer elektromagnetischen Treibervorrich
tung für ein Bremsventil einer Bremsanlage betrachtet werden. Bei einer
solchen elektromagnetischen Treibervorrichtung geht es um das
Steuern/Regeln des Drucks einer Bremsflüssigkeit. Der Druck wird von
dem elektromagnetischen Ventil in Abhängigkeit des durch die Spule des
Elektromagneten fließenden Stroms eingestellt. Das Stellsignal wird bei
einer solchen Steuerung/Regelung üblicherweise einem elektronischen
Schalter in Form eines PWM-Stellsignals zugeführt (PWM = Pulse
Width Modulation; Pulsbreitenmodulation), wobei dieses PWM-Stell
signal den elektronischen Schalter mit einem bestimmten Tastverhältnis
(Verhältnis von Impulsdauer zu Impulspause) öffnet und schließt, so daß
der Stromsfluß durch den elektronischen Schalter, welcher in Reihe zu
der Last geschaltet ist, den Stromfluß durch die Last festlegt.
Wie bei anderen üblichen Regelschaltungen, ist auch bei der erfindungs
gemäßen Schaltung eine erste Signalquelle, die das Sollsignal ausgibt,
sowie eine zweite Signalquelle, die ein Istsignal ausgibt, über eine Stell
signal-Erzeugungsschaltung mit einem Stellelement verbunden, zum
Beispiel mit dem Steueranschluß eines elektronischen Schalters (zum
Beispiel eines MOSFETs).
Im Stand der Technik gibt es eine umfangreiche Menge möglicher Aus
gestaltungen für die Stellsignal-Erzeugungsschaltung. Maßgeblich für das
Ausgangssignal der Stellsignal-Erzeugungsschaltung ist die Abweichung
zwischen Istsignal und Sollsignal. Bei geringer Regelabweichung, also
geringer Differenz zwischen Istsignal und Sollsignal, ist das Stellsignal
so beschaffen, daß nur noch eine relativ geringe Änderung der zu steu
erenden oder zu regelnden Größe in der Last in Richtung des Sollwerts
erfolgt. Bei großer Regelabweichung ist das Stellsignal "größer", das
heißt, es erfolgt eine raschere Änderung des Istsignals zwecks An
näherung an das Sollsignal.
Um bei starken Regelabweichungen die Annäherung von Sollsignal und
Istsignal zu beschleunigen, wird das Stellsignal mit einer Differential-
Komponente versehen. Hierdurch wird das Stellsignal bei großer Regel
abweichung überproportional verstärkt, um eine möglichst rasche An
näherung des Istwerts an den Sollwert zu erreichen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Maßnahmen bekannt,
um neben einer Proportional-Regelung alternativ oder zusätzlich eine
Differential- und/oder Integral-Regelung zu erreichen.
In den vergangenen Jahren sind zum Steuern/Regeln elektrischer Lasten
mehr und mehr digitale Schaltungen eingesetzt worden. Bei einer digita
len Steuerschaltung wird zur Erzeugung eines PWM-Stellsignals zum
Beispiel ein Auf/Ab-Zähler verwendet, dessen sich laufend ändernder
Zählerstand mit einem digitalen, periodischen Rampensignal verglichen
wird. Je nach Verhältnis der miteinander verglichenen Zahlenwerte ist
der Pegel des daraus gebildeten PWM-Stellsignals hoch oder niedrig.
Der Auf/Ab-Zähler wird von einem konstanten Taktsignal getaktet,
wobei die Zählrichtung abhängig von dem Verhältnis zwischen Sollsignal
und Istsignal eingestellt wird.
Man kann nun daran denken, den Zählerstand nicht direkt mit dem
Rampensignal zu vergleichen, sondern den Zählerstand des Zählers
zunächst umzusetzen gemäß einer vorbestimmten Funktion, um auf diese
Weise zum Beispiel ein Proportional-, Integral- oder Differentialverhal
ten zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltung
zum Steuern einer Last nach Maßgabe eines Sollsignals anzugeben, bei
der mit einfachen Mitteln eine relativ schnelle Annäherung des Istsignals
in der Last an das Sollsignal erreicht wird, wobei die Geschwindigkeit
der Annäherung zwischen Istsignal und Sollsignal umso stärker ausfällt,
je größer die Abweichung ist.
Um diese Aufgabe zu lösen, schlägt die Erfindung eine elektrische
Schaltung zum Steuern einer Last nach Maßgabe eines Sollsignals vor,
welche umfaßt:
- - eine erste Signalquelle, die das Sollsignal ausgibt;
- - eine zweite Signalquelle, die ein Istsignal ausgibt, welches repräsen tativ ist für den aktuellen Zustand der Last;
- - ein Stellelement, das mit der Last gekoppelt ist, und das einen Steueranschluß aufweist, und
- - eine Stellsignal-Erzeugungsschaltung, die an einem Eingang ein Abweichungssignal empfängt, welches repräsentativ ist für die Differenz zwischen dem Sollsignal und dem Istsignal, die abhängig von dem Abweichungssignal ein Stellsignal erzeugt, und das Stell signal über einen Ausgang dem Steueranschluß des Stellelements zuführt,
- - wobei die Stellsignal-Erzeugungsschaltung einen Zähler beinhaltet, der in Abhängigkeit von dem Abweichungssignal betrieben wird, um das Stellsignal zu erzeugen, und wobei ein Zähltakteingang des Zählers mit dem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators verbunden ist, der an seinem Eingang das Abweichungssignal empfängt.
Anstatt den Zähler mit einem Taktsignal fester Frequenz oder mit einem
Taktsignal einer von einer festen Frequenz abgeleiteten Frequenz zu
betreiben, wird erfindungsgemäß der Zähler mit dem von dem Ausgang
eines spannungsgesteuerten Oszillators abgeleiteten Taktsignal betrieben.
Spannungsgesteuerte Oszillatoren sind im Stand der Technik in verschie
denen Ausführungsformen bekannt. Üblicherweise hängt die Schwin
gungsfrequenz am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO)
von der Spannungsdifferenz an seinem Eingangsklemmenpaar ab. Ist die
Spannungsdifferenz groß, ist die Ausgangsfrequenz relativ hoch, bei
kleiner Spannungsdifferenz ist die Ausgangsfrequenz relativ niedrig.
Die vorliegende Erfindung macht Gebrauch von dieser Besonderheit
eines spannungsgesteuerten Oszillators in Verbindung mit einer Steuer-
oder Regeleinrichtung. Wenn die Abweichung zwischen Sollsignal und
Istsignal groß ist, liefert der spannungsgesteuerte Oszillator am Ausgang
ein Signal mit einer relativ hohen Frequenz. Dementsprechend schnell
wird auch der Zähler betrieben, und als Folge davon wird das Stell
signal, welches dem des Steueranschluß des Stellelements zugeführt
wird, derart geformt, daß eine rasche Annäherung des Istsignals an das
Sollsignal stattfindet.
Zweckmäßigerweise wird in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung eine Vergleicherschaltung verwendet, die das Sollsignal mit
dem Istsignal vergleicht und an ihrem Ausgang das Abweichungssignal
bildet. Anstelle einer separaten Vergleicherschaltung besteht auch die
Möglichkeit, das Istsignal und das Sollsignal direkt an die beiden Ein
gänge des spannungsgesteuerten Oszillators zu legen. Das Abweichungs
signal ist dann die Spannungsdifferenz zwischen Sollsignal und Istsignal.
Wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist der span
nungsgesteuerte Oszillator in Verbindung mit einem Zähler. Wie aus
dem Zählerstand das Stellsignal gebildet wird, hängt vom speziellen
Anwendungsfall ab. Denkbar ist zum Beispiel die Verwendung eines
Analog-Stellsignals, welches auf den Steueranschluß (Basis, Gate) eines
Transistors gegeben wird. Dieses Analog-Stellsignal könnte durch Digi
tal-Analogwandlung aus dem Zählerstand des Zählers gewonnen werden,
wobei der Zähler dann zweckmäßigerweise als Auf/Ab-Zähler (Vor
wärts-Rückwärts-Zähler) ausgebildet ist. Je nach Vorzeichenlage des
Differenzsignals, welches aus dem. Subtrahieren des Istsignals von dem
Sollsignal gewonnen wird, wird der Zählerstand erhöht oder erniedrigt,
wobei die Geschwindigkeit des Zählens erfindungsgemäß von der Fre
quenz des Taktsignals am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators
abhängt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
das Stellsignal ein PWM-Stellsignal ist. Zu diesem Zweck ist vorzugs
weise ein Digitalvergleicher vorgesehen, der mit einem ersten und einem
zweiten Eingang sowie mit einem Ausgang ausgestattet ist, wobei der
erste Eingang mit dem Ausgang des Zählers verbunden ist, der zweite
Eingang mit einem Referenzwertgeber verbunden ist, und der Ausgang
des Digitalvergleichers mit dem Steuereingang des Stellelements ver
bunden ist.
Abhängig von dem Verhältnis des Inhalts des Zählers zu dem Ausgangs
signal des Referenzwertgebers wird das PWM-Stellsignal mit einem
mehr oder weniger großen Tastverhältnis (Verhältnis der Impulsdauer zu
der Impulspause) erzeugt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung
vor, daß zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator und dem Zähl
takteingang des Zählers ein Impulsformer geschaltet ist. Mit einem
solchen Impulsformer können die Flanken des Tatksignals verbessert
werden, da der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) in der Regel ein
etwa sinusförmiges Signal liefert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen den
Ausgang des Digitalvergleichers und den Steueranschluß des Stellele
ments ein Monoflop geschaltet ist, und daß der Ausgang des Digitalver
gleichers oder des Monoflops mit einem Rücksetzeingang des Zählers
verbunden ist.
Bei einer solchen Schaltung ist die Impulsdauer des PWM-Signals stets
unverändert groß, geändert wird nur die Länge der Impulspause zwi
schen den einzelnen Impulsen, und damit ändert sich die Frequenz des
PWM-Stellsignals. Bei großer Regelabweichung zwischen Istsignal und
Sollsignal wird der Zählerstand relativ schnell verändert aufgrund der
hohen Frequenz des von dem VCO gelieferten Signals. Dementspre
chend schnell erfolgt auch das Rücksetzen des Zählers. Da bei jedem
Rücksetzvorgang des Zählers von dem Monoflop ein Impuls geliefert
wird, wird das Tastverhältnis des PWM-Stellsignals größer. Hierdurch
wird eine rasche Annäherung des Istsignals an das Sollsignal erreicht.
Der oben angesprochene wesentliche Bestandteil der erfindungsgemäßen
Schaltung, also der spannungsgesteuerte Oszillator in Verbindung mit
einem Zähler, wird erfindungsgemäß in einem speziellen Aspekt für
einen digitalen Integrator genutzt.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Ausführungsformen von
Integratoren bekannt. Ein analog arbeitender Integrator enthält zum
Beispiel einen Operationsverstärker mit einem Kondensator im Rück
kopplungszweig. Ein digitaler Integrator enthält einen Analog/Digital-
Umsetzer, der das zu integrierende Analogsignal in digitale Werte um
setzt und dann das digitale Signal über die Zeit aufsummiert. Erfin
dungsgemäß wird von der oben angesprochenen Kombination aus span
nungsgesteuertem Oszillator und Zähler Gebrauch gemacht. Hierzu
schafft die Erfindung einen digitalen Integrator zum Integrieren eines
Analogsignals, der folgende Merkmale aufweist:
- - einen Eingang, dem das Analogsignal zugeführt wird,
- - einen spannungsgesteuerten Oszillator, der das Analogsignal empfängt und ein Schwingungssignal erzeugt, dessen Frequenz von der Amplitude des Analogsignals abhängt, und
- - einen Zähler, der das Schwingungssignal von dem spannungsgesteu erten Oszillator empfängt und an seinem Ausgang ein digitales Signal abgibt, das repräsentativ ist für das integrierte Analogsignal.
Bei diesem digitalen Integrator kann ein separater Analog/Digital-Wand
ler entfallen. Da die Frequenz des Ausgangssignals des VCO proportio
nal zu der Amplitude der Eingangsspannung des VCO ist, zählt der an
den Ausgang des VCO angeschlossene Zähler proportional schnell zu
der Amplitude des Analogsignals. Am Ausgang des Zählers erhält man
also das dem Integral des Analogsignals entsprechende digitale Signal.
In einer speziellen Ausführungsform ist der Zähler ein Auf/Ab-Zähler,
der an einem Zählrichtungs-Eingang ein Vorzeichensignal empfängt,
welches von dem vorzeichenbehafteten Analgosignal abgeleitet wurde.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsskizze einer elektrischen Schaltung zum Regeln
einer induktiven Last gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils der Schaltung der ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Schaltung;
Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung des Regelverhaltens
der Schaltungsvorrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfin
dung, und
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der Erfin
dung in Form eines Integrators.
Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltung zum Steuern einer Last. Die im rechten Teil der Fig. 1 darge
stellte Schaltung enthält einen ersten Schaltungszweig 4 mit einer zu
regelnden induktiven Last 6 und einem dazugehörigen ohmschen Wider
stand 7, einen zweiten Schaltungszweig 3 mit einer Freilaufdiode 8 und
einem Meßwiderstand 9 (RM3), und einen dritten Schaltungskreis 5 mit
einem elektronischen Schaltelement 11. Das Schaltelement 11 ist hier
zum Beispiel ein MOSFET mit einem Steueranschluß 12.
Die Schaltungszweige 4 und 3 liegen zueinander parallel zwischen einem
ersten Anschluß 1 (VBat) und einem zweiten Anschluß 2 (Vout), der dritte
Schaltungszweig 5 liegt zwischen dem zweiten Anschluß 2 und einem
dritten Anschluß GND (Masse).
Zum Regeln des Stroms in der induktiven Last, die die Induktivität 6
mit dem Wert L und eine ohmsche Widerstandskomponente mit dem
Wert RL enthält, wird der Stromfluß durch die Last nach Maßgabe eines
PWM-Stellsignals am Steueranschluß 12 des Stromschalters 11 ein- und
ausgeschaltet. Beim Ausschalten des Stromschalters 11 wird der Strom
fluß durch den dritten Schaltungszweig 5 gesperrt. Aufgrund der in der
Induktivität gespeicherten Energie fließt nun der Strom IL durch den
zweiten Schaltungskreis 3, weil und solange die Schaltung an dem zwei
ten Anschluß 2, also Vout, höher ist als die Spannung VBat (hierbei ist die
Durchlaßspannung der Freilaufdiode 8 unberücksichtigt). Der Freilauf
strom durch die dann geöffnete Freilaufdiode 8 fließt auch durch den
Meßwiderstand 9 oder RM3 und führt zu einer Meßspannung VM.
An den zweiten Anschluß 2 ist ein vierter Schaltungszweig 13 ange
schlossen, der eine veränderliche Stromquelle 15 und einen Referenz
widerstand 14 enthält. Die Stromquelle 15 liefert einen einstellbaren
Referenzstrom Iref, der an dem Referenzwiderstand 14 zu einer Span
nung Vref führt. Die Meßspannung VM und die Referenzspannung Vref
werden einem Vergleicher 20 zugeführt, der hier einen Differenzver
stärker 21 enthält, und zwar wird die Meßspannung VM dem nicht-inver
tierenden Eingang zugeführt, während die Referenzspannung Vref dem
invertierenden Eingang zugeführt wird.
Gemäß Fig. 2 wird aus dem Ausgangssignal ΔV des Vergleichers von
einem OP-Verstärker 29 in ein Vorzeichensignal S mit entweder hohem
oder niedrigem Pegel gebildet. Der Pegel gibt an, ob das Signal VM
größer als Vref ist, oder umgekehrt. Das Vorzeichensignal S wird in
einer PWM-Schaltung 10 gebildet, die außerdem mit einem spannungs
gesteuerten Oszillator (VCO) 28 ein Eingangs-Taktsignal CLKVCO er
zeugt. Das Taktsignal CLKVCO bestimmt das Tastverhältnis des PWM-
Stellsignals am Ausgang der PWM-Schaltung 10, welches dem Steuer
anschluß 12 des Stromschalters 11 zugeführt wird.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schaltung nach den Fig. 1 und 2
näher erläutert.
Ein Taktsignal CLKsys am Eingang der PWM-Schaltung 10 besitzt eine
feste Periodendauer, die die Periodendauer des PWM-Stellsignals am
Anschluß 12 des Stromschalters 11 festlegt.
Während das Stromschaltelement 11 gesperrt ist und der Strom IL durch
den zweiten Schaltungszweig 3 fließt, nimmt dieser Strom IL und mithin
die Meßspannung VM allmählich ab. Wenn der Wert der Meßspannung
VM den Wert der Referenzspannung Vref erreicht, ändern sich die Vor
zeichenverhältnisse an den beiden Eingängen des Vergleichers 20, so
daß sich folglich der Pegel des am Ausgang des Vergleichers erscheinen
den Abweichungssignals ΔV ändert. Durch diese Pegeländerung wird
das PWM-Stellsignal geändert, wodurch das Stromschaltelement 11
geöffnet wird. Hierdurch sinkt die Spannung Vout am zweiten Anschluß
2 schlagartig auf Null (genauer gesagt: auf annähernd Null, wenn man
den Einschaltwiderstand Ron des Stromschaltelements 11 berücksichtigt).
Während das Stromschaltelement geöffnet ist, fließt der Strom durch den
ersten Schaltungszweig 4, wobei sich die Stromstärke allmählich erhöht.
Bei zu großem Strom in der induktiven Last 6 wird aufgrund der dann
höheren Meßspannung VM eine längere Zeitspanne benötigt wird, bis die
Spannung VM auf den Wert von Vref abgesunken ist.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal
tung. Bei dieser Ausführungsform enthält die PWM-Schaltung 10 einen
Auf/Ab-Zähler 23 mit einem Aufwärts/Abwärts-Setzeingang, dem das
Vorzeichensignal S von dem Vergleicher 20 zugeführt wird, einem
Takteingang und einem Ausgang, der mit einem Eingang eines Digital
vergleichers (Comp) 25 verbunden ist, ferner einen Rampenzähler 24,
der mit einem zweiten Eingang des Digitalvergleichers 25 verbunden ist
und ein UND-Gatter 26.
Die in Fig. 3 dargestellten Schaltungskomponenten sind an sich bekannte
Bauteile, deren Funktionsweise dem Fachmann bekannt ist. Das Ein
gangssignal CLKsys wird dem Takteingang des Rampenzählers zugeführt,
so daß der Rampenzähler relativ schnell von Null bis auf seinen Maxi
malwert hochzählt und dabei an dem Ausgang ein digitales Rampen
signal erzeugt. Nach Ablauf einer von der Taktfrequenz und der Stellen
zahl des Zählers abhängigen Periodendauer fängt der Zähler wieder bei
Null an, erneut hochzuzählen. Das Taktsignal CLKVCO wird auf den
Takteingang des Auf/ Ab-Zählers 23 gegeben. Das UND-Gatter 26 wird
von dem invertierten PWM-Stellsignal geöffnet.
Der Zählerstand des Auf/Ab-Zählers 23 ändert sich abhängig von der
Änderung des Vorzeichensignals S langsam nach oben oder nach unten.
Besteht Gleichheit zwischen dem Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 23
und dem sich demgegenüber rasch ändernden Rampensignal am Ausgang
des Rampenzählers 24, erfolgt ein Umschalten des Pegels am Ausgang
des Digitalvergleichers 25, wodurch das PWM-Stellsignal für den Steu
eranschluß 12 des Stromschaltelements 14 gebildet wird.
Dem Rampenzähler 24 der PWM-Schaltung 10 nach Fig. 3 wird ein
Systemtaktsignal CLKsys zugeführt, welches eine konstante Frequenz
von zum Beispiel 4 kHz hat.
Dem Auf/Ab-Zähler 23 der PWM-Schaltung 10 wird das Taktsignal
veränderlicher Frequenz CLKVCO zugeführt. Hierzu ist in dem Verglei
cher 20 gemäß Fig. 3 außer dem OP-Verstärker 29, der das Vorzeichen
signal S liefert, noch ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 28
enthalten (der bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 in der PWM-
Schaltung 10 enthalten ist), der als Eingangsspannung die Differenz
spannung aus der Meßspannung VM und der Referenzspannung Vref
empfängt und abhängig von dieser Differenzspannung ein Ausgangs-
Schwingungssignal oder Ausgangs-Impulssignal veränderlicher Frequenz
erzeugt. Bei starkem Unterschied zwischen VM und Vref ist die Fre
quenz des Ausgangssignals CLKVCO des VCO 28 relativ hoch, so daß
dementsprechend - bei geöffnetem UND-Gatter 26 - der Auf/Ab-Zähler
23 relativ schnell zählt (abhängig vom Vorzeichensignal S nach oben
oder nach unten). Bei Annäherung der beiden Spannungen VM und Vref
wird die Frequenz des Taktsignals CLKVCO am Ausgang des VCO 28
geringer, so daß dementsprechend der Auf/Ab-Zähler 23 langsamer
zählt. Dieser Ablauf bedeutet, daß bei einer starken Regelabweichung
der Auf/Ab-Zähler sehr schnell zählt, also für eine rasche Annäherung
des Ist-Stromwerts an den Soll-Stromwert gesorgt wird, daß aber bei
geringer Regelabweichung entsprechend langsam nachgeregelt wird,
wodurch Überschwinger vermieden werden oder gering gehalten werden.
Um die Arbeitsweise der Schaltung der Ausführungsform nach Fig. 3 zu
erläutern, sei auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Spannung Vout ändert
sich sprunghaft mit dem Öffnen und dem Schließen des Stromschalters
11. Der zu regelnde Strom IL schwankt um den Soll-Strom, der dem
Referenzstrom Iref entspricht. In dem Intervall zwischen den Zeitpunk
ten t1 und t2 erfolgt entsprechend dem Vorzeichensignal S ein Ab
wärtszählen. In dem dann anschließenden Intervall zwischen den Zeit
punkten t2 und t3 erfolgt ein Aufwärtszählen. Der Wechsel der Zähl
richtung in dem Auf/Ab-Zähler 23 und hängt ab von dem Zeitpunkt, zu
dem die Meßspannung VM der Referenzspannung Vref gleicht. In der
oberen Zeile in Fig. 4 ist zusätzlich noch die Durchlaßspannung der
Diode, VD, dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal
tung zum Regeln einer Last. Wie bei den obigen Ausführungsbeispielen
wird das Istsignal durch die Spannung Vm (Meßspannung) dargestellt.
Das Sollsignal entspricht der Referenzspannung Vref. Die Spannung Vm
wird an den VCO 28 gelegt, der abhängig von der Spannung ein Aus
gangssignal mit einer Frequenz f (Vm) auf einen Zähler 23 gibt, dessen
Ausgang an einen Eingang eines Digitalvergleichers 25 angeschlossen
ist. Am anderen Eingang des Digitalvergleichers 25 liegt das Ausgangs
signal eines Sollwert-Registers 30. Der Zähler 23 wird von dem Aus
gangssignal des VCO 28 mit dem Taktsignal der Frequenz f (Vm) hoch
gezählt. Bei Übereinstimmung des Inhalts des Zählers 23 mit dem Inhalt
des Registers 30 wechselt der Pegel des Ausgangssignals des Digitalver
gleichers 25, und da der Ausgang des Digitalvergleichers 25 mit dem
Rücksetzeingang (RES) des Zählers 23 verbunden ist, wird der Zähler
23 auf Null zurückgesetzt, um erneut mit dem Hochzählen zu beginnen.
Durch den zurückgesetzten Inhalt des Zählers 23 wird auch das Aus
gangssignal des Digitalvergleichers 25 wieder zurückgesetzt. Das Aus
gangssignal des Digitalvergleichers 25 wird auf ein Monoflop 31 gege
ben, welches ein PWM-Stellsignal liefert. Je größer die Spannung Vm
am Eingang des VCO 28 ist, desto höher ist die Frequenz f (Vm), und
desto schneller zählt der Zähler 23 hoch. Dementsprechend kurz ist auch
nur das Intervall bis zum nächsten Wechsel des Ausgangssignals des
Digitalvergleichers 25. Die Impulspausen des PWM-Stellsignals sind
also relativ kurz, wenn die Spannung am Eingang des VCO 28 relativ
hoch ist.
Anstatt den Zähler 23 mit dem Ausgangssignal des Digitalvergleichers
25 zurückzusetzen, kann hierzu auch das Ausgangssignal des Monoflops
31 verwendet werden.
Fig. 6 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 5 abgewan
delte, vierte Ausführungsform der Erfindung. Anstelle des in Fig. 5
gezeigten Sollwert-Registers 30 wird eine zweite Referenzspannung
Vsoll an einen Eingang eines Vergleichers 32 gegeben, der als Analogver
gleicher ausgebildet ist. Dem anderen Eingang des Analogvergleichers
32 wird das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) 33
zugeführt, der den Zählerstand des Zählers 23 in ein Analogsignal um
setzt.
Zwischen dem VCO 28 und dem Zähler 23 ist ein Impulsformer 34
vorgesehen, der auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 zur Impuls
formung des Ausgangssignals des VCO 28 vorgesehen sein kann. Im
Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 5 erfolgt bei der vierten
Ausführungsform nach Fig. 6 der Vergleich von zwei Analogwerten. Im
übrigen arbeitet die Schaltung nach Fig. 6 genauso wie die Schaltung
nach Fig. 5.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt.
Fig. 7 zeigt einen digitalen Integrator mit einem Eingang 40 und einem
Ausgang 50. An den Eingang 40 wird ein Analogsignal ΔV gelegt, am
Ausgang 50 wird ein digitales Signal entsprechend dem Integral des
Analogsignals ΔV erzeugt. Auch diese Schaltung kann zum Steuern
einer Last verwendet werden, allerdings ist die Erfindung nicht auf eine
solche Verwendungsmöglichkeit beschränkt. Bei dem in Fig. 7 gezeigten
digitalen Integrator bildet der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 28
entsprechend der Amplitude des Eingangssignals ΔV ein Schwingungs
signal f (ΔV), welches an den Zähleingang C des Auf/Ab-Zählers 23
gelegt wird. Außerdem erzeugt ein Vorzeichengeber 32 aus dem vor
zeichenbehafteten Analogsignal ΔV ein Vorzeichensignal Vz, beispiels
weise positiven Pegel für positives Vorzeichen des Analogsignal ΔV,
und Null-Pegel für ein negatives Analogsignal. Das Signal Vz an dem
Auf/Ab-Eingang des Zählers 23 legt die Zählrichtung des Zählers fest.
Da die Frequenz f des Ausgangssignals des VCO 28 proportional zur
Amplitude der Spannung ΔV ist, erhält man am Ausgang des Zählers 23
ein dem Zählerstand entsprechendes Signal, welches den Digitalwert des
Integrals der Analogspannung ΔV repräsentiert.
Claims (8)
1. Elektrische Schaltung zum Steuern einer Last nach Maßgabe eines
Sollsignals (Vref), umfassend:
- - eine erste Signalquelle (14, 15), die das Sollsignal (Vref) aus gibt,
- - eine zweite Signalquelle (9, RM3), die ein Istsignal (VM) aus gibt, welches repräsentativ ist für den aktuellen Zustand der Last (6, 7);
- - ein Stellelement (11), das mit der Last (6, 7) gekoppelt ist, und das einen Steueranschluß (12) aufweist,
- - eine Stellsignal-Erzeugungsschaltung (10), die an einem Ein gang ein Abweichungssignal (ΔV, S, CLKVCO) empfängt, wel ches repräsentativ ist für die Differenz zwischen dem Sollsignal (Vref) und dem Istsignal (VM), die abhängig von dem Abwei chungssignal ein Stellsignal (PMW) erzeugt und das Stellsignal über einen Ausgang dem Steuereingang (12) des Stellelements (11) zuführt,
- - wobei die Stellsignal-Erzeugungsschaltung (10) einen Zähler (23) beinhaltet, der in Abhängigkeit von dem Abweichungs signal (ΔV, S, CLKVCO) betrieben wird, um das Stellsignal zu erzeugen, und wobei ein Zähltakteingang des Zählers (23) mit dem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators (28) ver bunden ist, der an seinem Eingang das Abweichungssignal (ΔV) empfängt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Vergleicherschaltung (20; 28) vorgesehen ist, die das Sollsignal mit
dem Istsignal vergleicht und an ihrem Ausgang das Abweichungs
signal bildet.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellsignal ein PWM-Stellsignal ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digi
talvergleicher (25) mit einem ersten und einem zweiten Eingang und
einem Ausgang vorgesehen ist, wobei der erste Eingang mit dem
Ausgang des Zählers (23) verbunden ist, der zweite Eingang mit
einem Referenzwertgeber (24) verbunden ist, und der Ausgang mit
dem Steuereingang (12) des Stellelements (11) verbunden ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator und dem
Zähltakteingang des Zählers (23) ein Impulsformer (34) geschaltet
ist.
6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen den Ausgang des Digitalvergleichers (25) und den Steuer
anschluß (12) des Schaltelements (11) ein Monoflop (31) geschaltet
ist, und daß der Ausgang des Digitalvergleichers oder des Mono
flops mit einem Rücksetzeingang des Zählers (23) verbunden ist.
7. Digitaler Integrator zum Integrieren eines Analogsignals (ΔV),
umfassend:
- - einen Eingang (40), dem das Analogsignal (ΔV) zugeführt wird,
- - einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (28), der das Analogsignal empfängt und ein Schwingungssignal erzeugt, dessen Frequenz (f) von der Amplitude des Analogsignals abhängt, und
- - einen Zähler (23), der das Schwingungssignal von dem span nungsgesteuerten Oszillator (VCO) (28) empfängt und an sei nem Ausgang ein digitales Signal abgibt, das repräsentativ ist für das integrierte Analogsignal.
8. Digitaler Integrator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Vorzeichengeber (32) von dem Eingang (40) das polaritätsbe
haftete Analogsignal (ΔV) empfängt und ein Vorzeichensignal (VZ)
erzeugt, und daß der Zähler (23) ein Auf/Ab-Zähler ist, der das
Vorzeichensignal (VZ) empfängt und abhängig von dem Vorzei
chensignal aufwärts bzw. abwärts zählt.
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